汽油对杉木微观形貌的影响研究

车 强，付师晗

(武警学院 a.消防工程系； b.研究生队，河北 廊坊 065000)

0 引言

目前对于火灾现场汽油的检测研究主要集中于利用GC/MS方法检测和鉴定汽油，而有关汽油对材料微观形貌影响的研究比较少见[1-4]。杉木是我国南方常见的室内装饰和家具材料，其炭化残留物在火灾现场随处可见，而汽油等助燃剂的存在会影响炭化杉木的微观形貌。本文利用扫描电镜研究了汽油对炭化杉木微观形貌的影响，可以帮助检测和鉴定火灾现场汽油。

1 试验方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料包括45 cm×30 cm×4 cm规格杉木板和92#汽油。

试验仪器包括：(1)轰燃实验箱。按照IS0 9705标准实验房间的四分之一进行设计，主要应用于实体火试验。实验箱为不锈钢结构，内部空间为90 cm×60 cm×60 cm，外部尺寸为100 cm×70 cm×70 cm。(2)扫描电镜(SEM)。选用TM3030Plus日立台式扫描电子显微镜，放大倍数支持15～60 000倍，图片质量高，操作流程简单，适用于观察和记录试验样品在不同条件下的微观形貌。

1.2 试验内容

在45 cm ×30 cm×4 cm规格杉木板表面泼洒50 mL92#汽油后放入轰燃实验箱内进行明火燃烧，燃烧时间分别为3 min、6 min、9 min、12 min，结束后试块降温冷却。

为避免炭化试块本身不均匀等因素的干扰，从每个试块炭化表面分布均匀地取出8份样品，清洁后分别放入扫描电镜内，利用TM3030Plus日立台式扫描电镜对杉木板的燃烧炭化物的横切面及弦切面进行微观形貌分析，分析时分别放大至200×、500×、1 000×倍数，对不同条件下制得的杉木炭化残留物进行微观形貌的观察、分析、比较以及记录。然后利用Image Pro Plus(IPP)对杉木板炭化物的弦切面和横切面的500×微观形貌照片进行分析，并测量出弦切面微观形貌内部管腔的平均面积、平均周长以及平均直径等参数。

2 试验结果

2.1 杉木微观形貌特征研究

图1为不同时间明火作用下杉木板弦切面的微观形貌图。燃烧初期，杉木细胞纹理明显，纤维结构紧密细致，层次分明，表面光滑平整，有零散气孔，有明显可见的杂质附着在表面。之后沿着细胞纹理出现毛刺状物质，纤维结构及层次被破坏，纤维结构连接处出现破损和断裂现象，气孔逐渐被打开。再然后，随着毛刺状物质增多，细胞结构逐渐变得无序不规则，表面由光滑变得粗糙，气孔数量明显增多，表面杂质也逐渐消失。随着燃烧时间的增加，细胞结构被严重破坏，表面破损和断裂现象明显，少量絮状物出现，细胞结构变得混乱。

图1 杉木板弦切面微观形貌

图2为不同时间明火作用下杉木板横切面微观形貌图。一开始横切面管状细胞腔大多呈不规则多边形，具有不均匀的大小，管壁较厚且粗糙，并附有较多毛刺状物质，管腔内杂质比较多。随着燃烧时间的增加，管壁表面逐渐变得光滑，明显变薄，胞腔内杂质及沉淀物开始减少，内腔由不规则多边形逐渐向规则形状转变，大小变得均匀。最后管腔大多以四边形呈现，内腔明显增大，轮廓明显，管壁也有破裂情况出现。

图2 杉木板横切面微观形貌

通过Image Pro Plus对样品细胞腔面积、平均直径以及周长进行测量，测量结果见表1。可以发现，平均孔洞面积、平均孔洞周长以及平均孔洞直径等杉木内部结构参数将随着燃烧时间的增长而发生巨大变化，并且均呈正相关。管状细胞壁逐渐变薄，孔洞内杂质逐渐减少，孔洞渐渐被打开，内腔扩大，其面积周长等参数也随之发生巨大变化。[5]

表1 无汽油情况下杉木微观形貌参数

2.2 泼洒汽油后杉木微观形貌特征研究

图3为不同时间明火作用下泼洒汽油的杉木板弦切面的微观形貌图。最初，杉木弦切面细胞结构完整，纤维结构紧密细致，但表面杂质及沉淀物较多，纹理比较不明显。之后表面杂质也逐渐消失，由粗糙变得光滑，纹理结构逐渐变得明显，沿着细胞纹理出现毛刺状物质，出现明显褶皱，隐约可见少许气孔。再然后，气孔逐渐被打开，纤维结构连接处出现破损和断裂现象，条状结构变得明显，并在表面出现白色絮状物质，燃烧时间的增加以及助燃剂的存在，加剧了细胞内水分及气体的大量流失，细胞纤维结构及层次被严重破坏，细胞结构逐渐变得无序不规则，细胞出现错位、变形及扭曲现象，逐渐失去木材原有的结构层次，纹理结构不再清晰，表面由光滑变得粗糙[6]。

图3 泼洒汽油的杉木板弦切面微观形貌

图4为不同时间明火作用下泼洒汽油的杉木板横切面的微观形貌图。横切面管状细胞排列整齐，细胞腔大多呈不规则四边形，具有不均匀的大小，细胞管壁附有较多毛刺状物质，较厚且粗糙，管腔内存在杂质。但随着燃烧时间的增加，管壁表面逐渐变薄，出现断裂破损，胞腔内杂质及沉淀物逐渐消失，细胞管腔由不规则四边形开始变得规则，大小变得均匀。最后管状细胞排列整齐，内腔明显增大，轮廓明显，管壁也有破裂情况出现，由于管壁的破裂，存在多个细胞腔整合成为一个较大的细胞腔的情况[7]。

图4 泼洒汽油的杉木板横切面微观形貌

通过Image Pro Plus对样品细胞腔面积、平均直径以及周长进行测量，泼洒汽油情况下杉木微观形貌参数测量结果见表2。

表2 泼洒汽油情况下杉木微观形貌参数

2.3 结果讨论

图5为泼洒汽油和不泼洒汽油的杉木板微观参数与燃烧时间的关系图。可以发现，随着燃烧时间的增加，杉木内部管腔的面积、平均直径、周长等参数将随之增大，泼洒汽油燃烧相同时间的杉木板微观参数明显较大，说明汽油加剧了杉木板燃烧中的热分解反应，分子间化学键大量断裂，生成气体析出表面，同时次生组织变薄，纤维发生破损、撕裂，纤维间间距开始加大，管壁变薄，管腔扩大。

(a) 孔洞面积

(b) 孔洞周长

(c) 孔洞平均直径

3 结论

3.1 泼洒汽油燃烧后的杉木板弦切面和横切面微观形貌变化差别较大。

3.2 从杉木板弦切面微观形貌观察可知，随着燃烧时间的增加，泼洒汽油后的杉木板纤维表面杂质及沉淀物消失得更快，气孔及纤维连接处断裂、破损现象更加严重，加剧细胞纤维大分子氢键的断裂，导致纤维素及木质素内葡萄糖基严重脱水，细胞内水分气体大量流失，整体纤维结构被破坏，层次结构变得混乱，表面还将出现扭曲、粘连和错位等现象，失去木材原有的结构层次。

3.3 从杉木板横切面微观形貌定量测量可知，泼洒汽油燃烧后，杉木板内部结构变化更大，具体体现在管腔面积、平均直径、周长有了明显增大。

参考文献：

[1] Moghtaderi B. The state-of-the-art in pyrolsis modelling of lignocellulosic solid fuels[J].Fire and Materials, 2006(30): 1-34.

[2] 鲁志宝.火灾现场中易燃液体物证鉴定方法的研究[D].天津:天津大学,2003.

[3] 梁国福,王广慧,鲁志宝,等.汽油在材料表面燃烧痕迹特征规律的研究[J].消防科学与技术,2010,29(10):876-882.

[4] JR A. The detection and analysis of ignitable liquid residues ex-tracked from human skin using SPME/GC[J]. Journal of Forensic Sciences, 2000, 45(2): 461-469.

[5] 许洁.不同引燃方式下细木工板燃烧炭化痕迹[J].消防科学与技术,2016,35(3):426-428.

[6] 刘玲,赵敏,张世星,等.不同受热温度下炭化红松表面微观形貌和成分分析[J].火灾科学,2008,17(3):150-154.

[7] 刘玲,赵敏, 张世星,等.炭化白松表面微观结构和成分分析[J].火灾科学,2008,27(2):83-85.